Fúlvia Martins Correia
Licenciada em Engenharia da Energia e Ambiente
Balanço Energético da Utilização de Kenaf
na produção de energia e painéis
isoladores, em Portugal
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Energia e Bioenergia
Orientador: Prof. Doutora Ana Luísa Almaça da Cruz Fernando,
Professora Auxiliar, FCT/UNL
Júri:
Presidente: Prof. Doutora Benilde Simões Mendes
Arguente: Prof. Doutor Nuno Carlos Lapa dos Santos Nunes Vogais: Prof. Doutor Fernando Henrique da Silva Reboredo
Prof. Doutora Ana Luísa Almaça da Cruz Fernando
“Balanço Energético da Utilização de Kenaf na produção de energia e painéis isoladores, em Portugal” © Fúlvia Martins Correia, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa.
AGRADECIMENTOS
Desde o início deste Mestrado, contei com a confiança e o apoio de pessoas que me são muito queridas, sem este contributo, a conclusão deste não teria sido possível.
Começo por agradecer à orientadora Professora Doutora Ana Luísa Almaça da Cruz Fernando, toda a dedicação, compreensão, força e amizade patenteada que fez com que seguisse em frente para a conclusão desta tese.
A esta grande mulher um bem-haja e desde já, um muito Obrigada por tudo.
À Professora Doutora Benilde Simões Mendes, e ao Professor Doutor Nuno Lapa, coordenadores do Mestrado de Energia e Bioenergia, pela motivação transmitida no decorrer do Mestrado que de certa forma foi bastante relevante para a conclusão deste. Aos restantes Professores do Mestrado de Energia e Bioenergia que em todas as disciplinas contribuíram para o enriquecimento do conhecimento adquirido.
Agradeço aos colegas que sempre me apoiaram, em especial atenção Diogo, João Prelhaz, Manuel Calhau, Paulo Cipriano, Ricardo, Sara Boléo e Susana Simão, pela amizade, disponibilidade, paciência e relação que foi mantida.
Aos meus amigos, e na qual foco a Ana Pinto e Cláudia Brochado pelo incentivo e força, que sempre me apoiaram.
Também, quero agradecer à entidade empregadora, nomeadamente Dr. Luís Fonseca, que nunca se opôs às responsabilidades que tinha para finalizar esta etapa académica, bem como a compreensão, paciência e de certa forma motivação para o término deste Mestrado. Quero agradecer e em especial ao meu marido Vítor Rainho, que tanto prezo pela sua paciência, compreensão e estimulo em momentos positivos e negativos.
Uma pessoa especial, pois incentivou-me a entrar neste Mestrado e que continua apoiar-me em todos os projectos de vida que impulsionem para o enriquecimento da minha formação.
Claro que para finalizar, e mesmo sendo muito novinha, dedico esta vitória à minha querida e amada filha Beatriz Rainho de dois (2) aninhos, pois é a razão de luta, vontade e de querer sempre mais. O significado de que é importante seguir os nossos objectivos.
RESUMO
Pretendeu-se com este trabalho, avaliar o balanço energético do cultivo e utilização de kenaf, na produção de painéis integrados para isolamento térmico tendo como base o ciclo de vida dos mesmos.
Diversos cenários foram considerados neste estudo. Foram testadas duas hipóteses na produção de painéis de isolamento: a) inteiramente à base de fibra cortical do kenaf; b) incorporação de poliéster na fibra cortical do kenaf. Como a fibra lenhosa apresenta uma capacidade calorífica muito elevada, podendo ser aproveitada economicamente na produção de energia, estudaram-se também duas soluções: a) a fibra lenhosa é utilizada pela empresa produtora de painéis numa Central Térmica de pequena dimensão para produção de energia térmica; b) a fibra lenhosa é canalizada para a produção de peletes, que são comercializadas para serem queimadas em sistemas domésticos.
De acordo com os resultados obtidos, verifica-se que a eficiência energética é superior à unidade e que o balanço energético é positivo, em todos os cenários. Portanto, considerando o aspecto energético, pode ser uma possibilidade, em Portugal, a utilização do kenaf para a produção de energia e de painéis isoladores. O cenário mais vantajoso é aquele no qual os resíduos são queimados numa Central de pequena dimensão localizada na unidade de manufactura dos painéis. Neste cenário, o consumo total de energia é mais reduzido, embora em termos de produção energética não seja o mais elevado (a produção de peletes é mais produtiva devido à superior eficiência da caldeira de peletes). A utilização de poliéster reciclado na manufactura dos painéis vem desfavorecer o balanço energético uma vez que a sua produção apresenta um custo energético significativamente elevado. Na análise de sensibilidade efectuada, verifica-se que os factores estudados que mais afectaram a eficiência energética do sistema foram o nível de aplicação de fertilizante azotado, a produtividade da cultura, o rendimento térmico das unidades geradoras de energia e mais significativamente, a possibilidade de recuperação da energia associada aos painéis isoladores no final do seu ciclo de vida.
ABSTRACT
The intention of this work was to evaluate the energy balance of cultivation and use of kenaf in the production of integrated thermal insulation boards based on life cycle analysis.
Several scenarios were considered in this study. Two hypotheses were tested in the production of insulation boards: a) fully bark kenaf fiber-based b) incorporation of polyester into bark kenaf fiber. As the core fiber has a very high heat capacity, which can be economically tapped for energy production, two solutions were also studied: a) the core fiber is used by the board producer in a small thermal power plant, b) the core fiber is channeled into the production of peletes, which are marketed to be burned in home systems.
The results show that the energy efficiency is greater than unity and the energy balance is positive in all scenarios. Therefore, considering the energy feature, the use of kenaf to produce energy and insulating panels is a possibility, in Portugal. The most advantageous scenario is the one in which waste is burned in a small central unit located in the panels manufacturing unit. In this scenario, the total energy consumption is the lowest, although in terms of energy production pellets are more productive due to the higher efficiency of the boiler. The incorporation of recycled polyester into the panel is a disadvantage because its production has a high energy cost.
In the sensitivity analysis performed, the studied factors that most affect the efficiency of the system were the level of nitrogen fertilizer, the yield, the thermal efficiency of power generating units and more significantly, the possibility of energy recovery associated with insulated panels in the end of its life cycle.
SIMBOLOGIA E NOTAÇÕES
FAO, Food and Agriculture Organization of the United Nations
FCT-UNL, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa
IDT- Initial Deformation Temperature
INSHT, Instituto Nacional de Seguridad e Hygiene en el Trabajo, Ministerio de Trabajo y
Asuntos Sociales
K.E.F.I., Kenaf Eco Fibers Italia S.p.A.
ÍNDICE
1 O KENAF (HIBISCUS CANNABINUS L.) ... 1
1.1 Caracterização e produção ... 2
1.2 Utilizações do Kenaf ... 7
1.3 Proposta de estudo ... 12
2 METODOLOGIA ... 14
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 23
3.1 Balanço energético da utilização de kenaf na produção de energia e painéis isoladores, em Portugal .. ……….….23
3.2 Análise de Sensibilidade ... 25
3.2.1 N - Fertilizante ... 25
3.2.2 Rega ... 26
3.2.3 Produtividade ... 28
3.2.4 Data da colheita ... 29
3.2.5 Distância ... 30
3.2.6 Rendimento térmico ... 30
3.2.7 Recuperação da energia contida nos painéis no fim do tempo de vida dos edifícios ………..31
3.2.8 Análise global ... 32
4 CONCLUSÕES ... 34
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1: Plantação de Hibiscus cannabinus L. ... 2
Figura 1.2: Aspecto dos caules de kenaf, onde se pode observar a camada lenhosa (de cor branca) e a parte cortical de cor verde ... 3
Figura 1.3: Folhas de kenaf das variedades Everglades 41 e Gregg. ... 3
Figura 1.4: Máquinas para colheita de kenaf: (a) em verde e (b) em seco. ... 6
Figura 1.5: Principais produtores mundiais de kenaf e produção mundial ... 6
Figura 1.6: Fibra cortical após separação (esquerda) e painéis integrados para isolamento térmico (direita). ... 9
Figura 1.7: Ciclo de vida dos biocompósitos. ... 11
Figura 2.1: Colheita do kenaf ... 18
Figura 2.2: Armazenamento do kenaf em campo sob a forma de fardos ... 18
Figura 2.3: Sistema de separação das fibras. a) Aspecto do sistema de aspiração que separa as fibras corticais das fibras lenhosas; b) recolha do resíduo lenhoso; c) recolha da fibra cortical ... 19
Figura 2.4: Sistema de manufactura dos painéis isoladores ... 20
Figura 2.5: Painéis isoladores: a) sem adição de poliéster; b) com adição de poliéster ... 21
Figura 3.1: Energia necessária para a produção, transporte e conversão do kenaf em energia e painéis isoladores, para os cenários apresentados. ... 25
Figura 3.2: Representação gráfica da eficiência energética, para várias quantidades de N – Fertilizante administradas ... 26
Figura 3.3: Representação gráfica da eficiência energética, para várias quantidades de água administradas ... 27
Figura 3.4: Gráfico representativo da eficiência energética para diferentes valores de produtividade 28 Figura 3.5: Gráfico representativo da eficiência energética, para diferentes datas de colheita ... 29
Figura 3.6: Gráfico representativo da eficiência energética, para diferentes distâncias ... 30
Figura 3.7: Gráfico representativo da eficiência energética, para diferentes rendimentos térmicos dos equipamentos ... 31
Figura 3.8: Gráfico representativo da eficiência energética, considerando o estudo inicial e a recuperação da energia associada aos painéis ... 32
ÍNDICE DE QUADROS
Quadro 2.1: Produtividade de kenaf, em matéria seca e com humidade, nas colheitas de Outubro ... 16
Quadro 2.2: Propriedades associadas aos painéis isoladores, de acordo com a informação fornecida pelos produtores. ... 21
Quadro 3.1: Balanço energético e eficiência energética da utilização de kenaf na produção de energia e painéis isoladores, em Portugal. ... 23
Quadro 3.2: Eficiência energética, para várias quantidades de N – Fertilizante administradas ... 26
Quadro 3.3: Eficiência energética, para várias quantidades de água administradas ... 27
Quadro 3.4: Eficiência energética, para diferentes valores de produtividade ... 28
Quadro 3.5: Eficiência energética, para diferentes datas de colheita... 29
Quadro 3.6: Eficiência energética, para diferentes distâncias ... 30
Quadro 3.7: Eficiência energética, para diferentes rendimentos térmicos dos equipamentos ... 31
1 O KENAF (HIBISCUS CANNABINUS L.)
O kenaf é uma planta anual, herbácea, endémica de África e pertencente à família Malvaceae (El Bassam, 1998; Liu, 2005; Catroga, 2009):
Reino. ...Plantae Subreino. ...Tracheobionta
Divisão...Magnoliophyta Classe...Magnoliophida Subclasse...Dileniidae Ordem...Malvales Família...Malvaceae Género...Hibiscus
Espécie...Hibiscus cannabinus L.
O kenaf (Hibiscus cannabinus L.) foi domesticado por volta do ano 4000 - 3500 a.C. na região do Mande, uma região agrícola da África Ocidental (Barbosa, 2010). A migração para a Ásia, provavelmente, ocorreu por via marítima ou então por caravanas através do território mesopotâmico. A descoberta de produtos manufacturados com fibra de kenaf nessa área, datada dos anos 2400-2800 a.C. parecem confirmar esta hipótese (K.E.F.I., 2011; Barbosa, 2010).
É uma cultura semelhante à do algodão (figura 1.1), tendo sido utilizada ao longo da História, particularmente em África e na China e Índia, não só para fibra (cordéis, cordas, sacos, etc) mas também para outros usos (alimentar, medicinal) (Barbosa, 2010).
Figura 1.1: Plantação de Hibiscus cannabinus L. (Fonte: http://integrated-composites.com/Kenaf/Kenaf.html
Na Europa, o desenvolvimento desta cultura concentra-se nas regiões mediterrânicas, sobretudo para uso no sector da produção de fibras (Barbosa, 2010). O investimento é muito baixo e a experimentação sobre a adaptação dessa cultura no Mediterrâneo Europeu começou apenas nos anos 90, sobretudo no centro e norte da Itália e na Grécia (Maracchi, 2007; Barbosa, 2010).
Actualmente, o kenaf é cultivado principalmente na Índia, China e Brasil (FAO, 2011). O interesse neste tipo de cultura reside no facto de ser uma espécie anual, de elevada produtividade, rica em fibra, com múltiplas aplicações a nível industrial, incluíndo a produção de energia (Alexopoulou et al., 2009).
1.1
Caracterização e produção
camada lenhosa a 60 – 65% e a medula a 2 – 3% (Alexopoulou, 2003). Os caules destas plantas podem apresentar alturas compreendidas entre os 3 e os 6m, sendo que a altura média na orla mediterrânica é de cerca de 2,5 metros (Barbosa, 2010).
Figura 1.2: Aspecto dos caules de kenaf, onde se pode observar a camada lenhosa (de cor branca) e a parte cortical de cor verde (Fonte: Webber e Bledsoe, 2002)
As folhas são simples, de contorno serrilhado, apresentando, conforme a variedade, uma forma levemente lobulada e cordiforme (como por exemplo a variedade Everglades 41) ou uma forma dividida em 3, 5 ou 7 lóbulos profundos (como por exemplo, a variedade Gregg) (Catroga, 2009)(figura 1.3).
Figura 1.3: Folhas de kenaf das variedades Everglades 41 e Gregg (Fonte: http://pics.davesgarden.com).
As folhas possuem compostos voláteis e óleos essenciais, que podem actuar na prevenção e inibição da germinação e crescimento de ervas daninhas (Webber e Bledsoe, 2002). Em
África e na Ásia, as folhas de kenaf são usadas na alimentação animal e humana (K.E.F.I., 2011; Barbosa, 2010).
O kenaf produz flores vistosas, largas (7,5 a 10 cm), em forma de sino e amplamente abertas, constituídas por 5 pétalas, cuja cor varia do creme ao púrpura escuro (Catroga, 2009; Barbosa, 2010). As sementes desenvolvem-se em cápsulas, de forma aguçada e oval, que podem conter, cada, cerca de 20-26 sementes (Alexopoulou, 2003; Barbosa, 2010). As sementes são pequenas (6 mm de comprimento e 4 mm de largura, 35.000 a 40.000 sementes por kg), de cor escura, de uma forma aproximadamente triangular (K.E.F.I., 2011; Barbosa, 2010). Estas sementes apresentam teores em óleo que variam entre os 16% e os 26%, sendo que os teores em fosfolípidos e esteróis podem representar até 6% e 0,9%, respectivamente (Webber e Bledsoe, 2002; Maracchi, 2007). Este óleo pode ser utilizado na alimentação humana e os seus ácidos gordos maioritários são o palmítico (20%), o oleico (29%) e o linoleico (46%)(Webber e Bledsoe, 2002). O kenaf apresenta um sistema radicular profundo, com raízes laterais longas, que o tornam bastante tolerante à seca e num utilizador eficiente, quer dos fertilizantes adicionados quer de nutrientes provenientes de resíduos de culturas anteriores (Maracchi, 2007; Alexopoulou et al., 2009). O kenaf é capaz de se adaptar a uma grande variedade de condições climáticas, mas atinge o seu crescimento máximo nas regiões tropicais e subtropicais, o que corresponde a latitudes compreendidas entre os 45ºN e os 30ºS (com altitudes inferiores a 1000 m)( Alexopoulou, 2003). Conseguem-se obter produtividades mais elevadas no intervalo de temperaturas 25-28ºC, desde que a humidade relativa seja elevada (65-85%) e a precipitação mensal (90-275 mm) garanta as necessidades hídricas da cultura (Alexopoulou, 2003; Maracchi, 2007). No que respeita à fertilização mineral, a cultura deve dispôr de 70-90 kg/ha em azoto (10-30 kg/ha na fase de sementeira e 50-60 kg/ha na fase em que as plantas apresentam uma altura de 20cm), 120 kg/ha em K2O e 60 kg/ha em P2O5) (El Bassam, 1998).
produtividades significativas com 250 a 400 mm de precipitação, quantidades muito inferiores às exigidas por culturas tradicionais (Alexopoulou et al., 2009).
A densidade de sementeira deve estar compreendida entre 185000-370000 plantas/ha, de modo a reduzir a ramificação dos caules e a permitir disponibilidade de recursos, como luz, nutrientes e água (Webber e Bledsoe, 2002; Catroga, 2009). Sendo uma cultura anual primaveril pode ser inserida numa rotação em áreas em que sejam cultivadas monoculturas, como por exemplo, cereais (Alexopoulou et al., 2009; Barbosa, 2010).
É uma espécie resistente à maioria das pragas e doenças (Catroga, 2009). A antracnose pode inutilizar totalmente a cultura, mas a maioria das variedades disponíveis comercialmente são resistentes a esta doença (Barbosa, 2010). Pode ser necessário o controlo de espécies infestantes, no início do ciclo vegetativo, antes da cobertura do solo pelo kenaf, através do recurso a herbicidas pré ou pós emergência ou por via mecânica (Maracchi, 2007). A presença de nemátodes no solo pode representar um sério risco mas um programa de rotação de culturas eficiente e a introdução de variedades mais tolerantes a nemátodes pode reduzir o problema (Barbosa, 2010).
A época de floração é a melhor altura para se realizar a colheita do kenaf. A selecção do momento e do tipo de colheita são fortemente influenciados pelo destino final do produto (Maracchi, 2007).
Fundamentalmente, no cultivo do kenaf como cultura de fibra existem dois tipos de colheita: uma em verde, na qual as plantas apresentam flor, caules inteiros e com folhas, e outra durante o inverno, em que as plantas apresentam caules desprovidos de folhas e degradados devido aos agentes atmosféricos e biológicos (Maracchi, 2007).
Actualmente existe maquinaria específica para o processo de colheita do kenaf. Estão disponíveis no mercado máquinas que colhem o kenaf e que realizam a separação das fibras exteriores (parte cortical) das fibras interiores (camada lenhosa)(descorticação) (Webber et al., 2002a; Barbosa, 2010). Quando o objectivo é a utilização do caule inteiro, os caules podem ser roçados e retirados do campo sob a forma de feixes ou em fardos (Maracchi, 2007). A figura 1.4 apresenta algumas máquinas utilizadas para a colheita do kenaf.
(a) (b)
Figura 1.4: Máquinas para colheita de kenaf: (a) em verde e (b) em seco (Fonte: K.E.F.I., 2011).
O processamento inicial e o tipo de equipamento utilizado dependem de diversos factores, tais como o local de produção, equipamentos disponíveis, variáveis económicas envolvidas e os mercados disponíveis. Uma das primeiras decisões a tomar é se se processa o caule inteiro, triturado, se as fibras internas e externas são separadas ou não, utilizando-as como fonte de fibra conjunta (Webber et al., 2002a).
A figura 1.5 ilustra os principais produtores e a produção mundial de kenaf, em milhares de toneladas, entre os anos 2005 e 2011. O maior produtor mundial é a Índia, com cerca de 50% da produção mundial (FAO, 2011).
Figura 1.5: Principais produtores mundiais de kenaf e produção mundial (Fonte: FAO, 2011).
A produtividade do kenaf pode variar muito, estando dependente de uma série de factores, tais como as condições edafo-climáticas, contudo a sua produtividade em termos comerciais situa-se entre 9 e 22 t.ha-1 (matéria seca) (Barbosa, 2010).
0 50 100 150 200 250 300 350
2005/2006 2006/2007 2007/2008 2008/2009 2009/2010 2010/2011
Em Portugal, realizaram-se os primeiros estudos experimentais com o kenaf no ano de 1991, no âmbito do projecto EUROKENAF (estudos realizados pela FENACAM com a colaboração de outras entidades) (Catroga, 2009).
No âmbito do projecto “Biomass Production Chain and Growth Simulation Model for Kenaf – Biokenaf”, apoiado pela União Europeia, realizaram-se em Portugal alguns estudos sobre a produção de kenaf. Estes estudos demonstraram que nas condições pedoclimáticas da Península de Setúbal, em Portugal, podem ser alcançados elevados rendimentos (28 t.ha-1.ano matéria seca), dependendo das técnicas de cultivo aplicadas (Fernando et al., 2007).
1.2
Utilizações do Kenaf
A cultura de kenaf fornece matéria-prima com numerosas aplicações industriais e energéticas. As fibras da parte cortical podem ser utilizadas como fonte de fibra e a parte lenhosa como fonte de energia através de processos termoquímicos.
A fibra de kenaf é semelhante a outras fibras vegetais (cânhamo, linho, etc.). O comprimento das fibras em média é de cerca de 2,5 mm e a sua composição é formada por: celulose (58 a 63%), hemiceluloses (21 a 24%) e lenhina (12 a 14%) (Maracchi, 2007). A presença da lenhina pode representar um factor negativo na elasticidade da fibra, tornando-a menos adequada, comparativamente à do cânhamo e outras com aplicação têxtil (Maracchi, 2007). A fibra do kenaf é mais resistente que a da juta, embora menos flexível (Catroga, 2009). Como planta produtora de fibra, o kenaf era já conhecido do povo egípcio e na Índia, sendo cultivado e utilizado para cordoaria, sacaria, forro de tapetes, assim como para artigos vários desde tempos imemoriais. Em Espanha o kenaf foi largamente cultivado na Estremadura e Andaluzia e a sua biomassa utilizada para a cordoaria, durante a época dos descobrimentos. Permaneceu como uma das menos importantes plantas produtoras de fibras até à 2ª Guerra Mundial, altura em que, face à crise económica, plantas de crescimento rápido produtoras de fibra ganharam acrescida importância como substitutos de outros materiais conhecidos que se tinham tornado escassos e de preço elevado, como a juta (Catroga, 2009).
A polpa pode ser utilizada na produção de diversos tipos de papel e papel cartonado, o qual apresenta boa qualidade, durabilidade, boa qualidade para impressão e absorção de tinta.
O caule pode ser processado por inteiro ou, se for descorticado, as duas fracções (caule externo e interno) são processadas separadamente. O papel produzido a partir das fibras do caule interno é mais fino e denso, enquanto o papel produzido a partir das fibras do caule externo é mais grosso, volumoso, leve e geralmente mais resistente.
É uma cultura que contribui para a diminuição do impacte ambiental dos efluentes da indústria da pasta de papel, uma vez que são necessários menos produtos químicos no processo (o kenaf apresenta teores em lenhina mais reduzidos).
Devido às suas características que satisfazem não só os requisitos da indústria de papel, mas também o de outras aplicações industriais adicionais (cordoaria, por exemplo), a produção de kenaf sofreu uma grande expansão em diversos países nas últimas décadas (EUA, alguns países da ex-URSS e da América Latina)(Catroga, 2009).Na União Europeia, o kenaf foi introduzido como uma cultura não alimentar, cultivável em terrenos agrícolas em regime de pousio, visando a produção de fibra destinada à indústria (Regulamento (CEE) n.º 1765/92, do Conselho, de 30 de Junho de 1992 e Regulamento (CEE) N.º 334/93, da Comissão, de 15 de Fevereiro de 1993).
Eis algumas das utilizações industriais do kenaf:
As fibras da zona cortical podem ser utilizadas na produção têxtil, após a maceração do caule de kenaf com o auxílio de enzimas (Catroga, 2009). As partes não aproveitadas pela indústria têxtil e de pasta celulósica (folhas e extremidades não lenhificadas) podem ser utilizadas para forragem, uma vez que estas partes da planta possuem um elevado teor em proteínas bem como um bom perfil de aminoácidos (Alexopoulou, 2003). As plantas verdes, obtidas numa fase inicial do crescimento, também podem ser utilizadas para forragem, uma vez que a cultura, nesta fase, apresenta elevados teores em proteína (Catroga, 2009). A parte lenhosa do kenaf demonstrou bons resultados quando utilizado como substrato para a produção de cogumelos (Sameshima et al., 1999).
sabões, linóleo, tintas e vernizes e para iluminação. Após a extracção do óleo da semente, obtém-se um bagaço, que contém 35% de proteínas, que pode ser utilizado para ração. Os pigmentos extraídos da flor podem ser utilizados como corantes (Alexopoulou, 2003; Catroga, 2009). As sementes não viáveis podem ser utilizadas na alimentação de aves (K.E.F.I., 2011).
Devido à sua elevada capacidade de absorção, o kenaf (sobretudo a parte lenhosa) pode ser utilizado em leitos para animais, como absorvente de petróleo ou dos seus derivados em derrames, como agente secante em embalagens, e em produtos como toalhetes, lenços de papel e papel higiénico (Lips et al., 2009; Catroga, 2009). É considerada também uma alternativa na produção de membranas para microfiltração (Radiman et al., 2008) e em operações de filtaração apresenta um comportamento semelhante à terra de diatomáceas (Lee e Eiteman, 2001).
As características da fibra satisfazem também os requisitos para a produção de materiais de construção (contraplacados de diferentes densidades e espessuras, com resistência ao fogo e a ataques de insectos) (Webber e Bledsoe, 2002; Kalaycıoglu e Nemli, 2006; Juliana et al., 2012).
A fibra cortical do kenaf tem vindo a ser utilizada como matéria-prima alternativa na produção de painéis integrados para isolamento térmico apresentando uma condutividade térmica semelhante à de outros produtos comerciais à base de outras fibras (Lips, 2007)(figura 1.6). Na produção destes painéis, as fibras podem ser a única matéria-prima ou então podem ser incorporadas de poliéster (Ardente et al., 2008) ou revestidas a polietileno (K.E.F.I., 2011). O kenaf também tem vindo a ser considerado como uma matéria-prima alternativa na produção de painéis integrados para isolamento acústico (Catroga, 2009; Akil et al., 2010).
A utilização de painéis integrados para isolamento térmico em edifícios (paredes, telhados) é relevante para a melhoria da eficiência energética dos mesmos: reduz a perda de calor, o que permite a poupança em custos e em energia, reduzindo o consumo de recursos e dos impactes ambientais decorrentes do consumo de combustíveis fósseis (Ardente et al., 2008) associados à produção de energia. O mercado dos materiais para isolamento térmico é dominado pelos seguintes grupos de produtos (Ardente et al., 2008):
Materiais minerais ou inorgânicos, como a lã de vidro ou a lã de rocha, que representam 60% do mercado;
Materiais orgânicos em espuma, como o poliestireno expandido ou o poliestireno extrudido, ou ainda o menos utilizado poliuretano, que representam 30% do mercado;
E outros materiais, que representam 10% do mercado.
A utilização da fibra cortical do kenaf na produção de painéis para isolamento térmico é uma solução inovadora que se pode traduzir, pelo menos, nos seguintes benefícios: é um material biodegradável e associada à sua produção podemos ter um balanço em energia e em emissões de CO2 mais favorável do que no caso de materiais à base de produtos fósseis (como é o caso do poliuretano) (Ardente et al., 2008). Outras vantagens do kenaf são a sua baixa densidade (o que torna os produtos resultantes mais leves), não é abrasivo e as suas propriedades mecânicas são altamente específicas (Ardente et al., 2008).
As fibras do kenaf podem ainda ser utilizadas na indústria como substituto da fibra de vidro e de outras fibras sintéticas em materiais compósitos (Webber e Bledsoe, 2002; Akil et al., 2011).
Bledsoe, 2002; Akil et al., 2011). A figura 1.7 apresenta o ciclo de vida destes biocompósitos.
Figura 1.7:Ciclo de vida dos biocompósitos (Fonte: Akil et al., 2011).
Esta planta pode também ser valorizada de outras formas, entre as quais se salienta o seu aproveitamento energético (El Bassam, 1998). O poder calorífico da biomassa vegetal é, em média, 15 MJ.kg-1 (matéria seca), sendo o caule interno mais energético do que o caule externo (Fernando et al., 2007). Como sub-produto das indústrias que utilizam as fibras corticais, a parte lenhosa pode ser canalizada para a produção de peletes que são depois utilizadas em centrais termoeléctricas ou comercializadas para utilização doméstica (Ardente et al., 2008).
sistemas que utilizam estilha de madeira. Pode ser necessário um pré-tratamento ao material de modo a aumentar a sua densidade.
De acordo com os estudos de van den Berg (2007), na combustão do kenaf pode ocorrer a emissão de elevados teores de NOx, devido à composição química do kenaf, o que pode ser um óbice à sua utilização. Nos testes de gasificação, van den Berg (2007) verificou que o caule interno tem um comportamento semelhante ao do Miscanthus e do Arundo. Verificou, igualmente, que o gás produzido não tem cloro, o qual poderá ter sido capturado pelo cálcio e/ou magnésio presentes nas cinzas. Por outro lado, os teores em enxofre e amoníaco presentes no gás podem ser considerados elevados se o gás for directamente utilizado em motores. Nos testes de pirólise, o rendimento de produção de óleo é elevado quando comparado com o que é obtido com o Miscanthus, o Arundo ou a palha, mas mais baixo do que o rendimento obtido com madeira. Devido à composição do kenaf, a combustão do óleo poderá resultar em emissões de NOx elevadas.
1.3
Proposta de estudo
O desenvolvimento de culturas energéticas, actualmente, reside não só na possibilidade da sua utilização como fonte de energia renovável, mas também na sua utilização para produção de biomateriais. As culturas energéticas oferecem alguns benefícios face às matérias-primas de origem fóssil. São renováveis, biodegradáveis e são um recurso disponível. Quando utilizadas na produção de energia, dependendo da gestão, o balanço de carbono pode ser positivo (devido à actividade fotossintética da biomassa que é utilizada como matéria prima), pode haver redução das emissões de gases, que contribuem para o efeito estufa, e o seu baixo teor em enxofre implica uma redução da emissão de gases acidificantes (Biewinga e van der Bijl, 1996). No entanto, as culturas energéticas apresentam também algumas desvantagens, uma vez que a produção agrícola da biomassa é realizada de forma intensiva e há necessidade de disponibilidade de terra arável, mesmo que em solos marginais. Existe, portanto, o risco de se poluírem as águas com nitratos, fosfatos e pesticidas, assim como o perigo da redução da biodiversidade, quando a biomassa for cultivada na forma de monocultura (Fernando et al., 2010).
como Portugal onde não existem recursos conhecidos de recursos fósseis, em condições economicamente exploráveis.
Na perspectiva de um desenvolvimento sustentável e tendo em conta a Reforma da Política Agrícola Comum, e no âmbito do Mestrado em Energia e Bioenergia da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa (FCT-UNL), pretende-se com este trabalho, avaliar o balanço energético da produção e utilização de kenaf, como factor de sustentabilidade energética e de melhoria do ambiente térmico em edifícios, tendo em conta as condições de Portugal. Neste contexto, o balanço energético da produção e utilização do kenaf na produção de painéis integrados para isolamento térmico será avaliado com base na análise do ciclo de vida.
Diversos cenários foram considerados neste estudo. Foram testadas duas hipóteses na produção de painéis de isolamento: a) inteiramente à base de fibra cortical do kenaf; b) uma matriz de poliéster é incorporada na fibra cortical do kenaf. Como a fibra lenhosa apresenta uma capacidade calorífica muito elevada, podendo ser aproveitada economicamente na produção de energia, estudaram-se também duas soluções: a) a fibra lenhosa é utilizada pela empresa produtora de painéis numa Central Térmica de pequena dimensão; b) A fibra lenhosa é canalizada para a produção de peletes, que são comercializadas para serem queimadas em sistemas domésticos.
2
METODOLOGIA
De modo a avaliar o balanço energético decorrente da produção e utilização do kenaf na produção de painéis integrados para isolamento térmico, em Portugal, foi aplicada a metodologia desenvolvida por Biewinga e van der Bijl (1996).
Neste âmbito, considerou-se que o kenaf era cultivado na região da península de Setúbal, tendo como principal finalidade a obtenção de fibra cortical para a produção de painéis integrados para isolamento térmico. Considerou-se que a fibra lenhosa, sub-produto da unidade produtora de painéis, era canalizada para a produção de energia.
Neste contexto, estudaram-se quatro cenários diferentes para a sua produção e utilização:
Cenário I)
o Produção de um painel de isolamento inteiramente à base de fibra cortical do kenaf. A fibra lenhosa é utilizada pela empresa produtora de painéis numa Central Térmica de pequena dimensão existente na própria unidade.
Cenário II)
o Produção de um painel de isolamento inteiramente à base de fibra cortical do kenaf. A fibra lenhosa é canalizada para a produção de peletes, que são comercializadas para serem queimadas em sistemas domésticos.
Cenário III)
o Produção de um painel de isolamento em que uma matriz de poliéster é incorporada na fibra cortical do kenaf. A fibra lenhosa é utilizada pela empresa produtora de painéis numa Central Térmica de pequena dimensão existente na própria unidade.
Cenário IV)
o Produção de um painel de isolamento em que uma matriz de poliéster é incorporada na fibra cortical do kenaf. A fibra lenhosa é canalizada para a produção de peletes, que são comercializadas para serem queimadas em sistemas domésticos.
No estudo, é feita uma análise de sensibilidade, em que se pretende avaliar a influência de determinados factores, no balanço energético. São estudados factores relacionados com a produção agrícola da cultura, como o nível de fertilização azotada, a irrigação, a data da colheita e a produtividade, assim como factores relacionados com o seu processamento e utilização, como a distância entre o local de produção do kenaf e a unidade transformadora, o rendimento energético das unidades produtoras de energia e a possibilidade de recuperação da energia contida nos painéis, no final do tempo de vida dos edifícios.
O balanço energético é calculado por subtração do consumo energético à energia potencial produzida, sob a forma de biomassa. O consumo energético é a soma dos gastos energéticos utilizados na produção das sementes, dos fertilizantes, pesticidas, assim como na produção e utilização de maquinaria, no cultivo do kenaf. O consumo energético reflecte também os gastos utilizados no armazenamento, transporte e processamento da biomassa. A energia produzida corresponde à energia potencial total que se poderá obter por combustão da fibra lenhosa, que corresponde ao produto Produtividade (t.ha-1, matéria seca) x Calor de combustão. A este valor é multiplicado o rendimento energético da máquina, na combustão do material.
Como a cultura é anual, considerámos a sua produção anual. Em todos os cálculos utilizámos como unidade funcional 1 ha de produção de kenaf por ano. Para a realização deste balanço energético, foi necessário ter em linha de conta alguns aspectos, nomeadamente dados respeitantes à produtividade, ao uso de fertilizantes e pesticidas, ao uso de água e à caracterização da biomassa. Estes dados foram obtidos no trabalho de Fernando et al. (2006, 2007 e 2007a) de campos de kenaf localizados no Monte de Caparica.
Em relação aos dados da produtividade e da composição da biomassa, utilizaram-se os valores médios das colheitas efectuadas em Outubro de 2005 e Outubro de 2006, logo após a floração. Estes anos foram representativos do cultivo de kenaf, em condições em que as produtividades alcançadas foram elevadas. No ano de 2005 foi utilizada a variedade Tainung 2 e no ano de 2006 a variedade Everglades 41. A variedade Everglades 41 é ligeiramente mais produtiva do que a variedade Tainung 2, nas condições de estudo no Monte de Caparica, apresentando teores em poder calorífico superiores também. A variedade Tainung 2 apresenta teores em fibra superiores aos da variedade Everglades 41. No entanto, as diferenças observadas entre estas duas variedades não são significativas (Fernando et al., 2007).
fibra lenhosa cerca de 67% de humidade e as folhas cerca de 77% de humidade (Fernando et al., 2007a).
Quadro 2.1: Produtividade de kenaf, em matéria seca e com humidade, nas colheitas de Outubro (Fernando et al., 2006, 2007 e 2007a)
Fracção da planta Produtividade (t.ha-1, ms) Produtividade (t.ha-1, mh)
Caule Interno 7,0 ± 0,2 21,2 ± 0,7
Caule Externo 3,6 ± 1,4 14,1 ± 5,6
Folhas 4,5 ± 2,1 19,4 ± 9,1
Total 15,2 ± 3,8 54,7 ± 15,5
Para o cálculo do balanço energético foram incluídos todos os passos desde a sementeira e preparação dos campos até à colheita e transporte da biomassa e seu processamento.
Os parâmetros respeitantes à mecanização, uso e produção de energia e painéis, uma vez que não foram directamente determinados, foram estimados com base em dados obtidos na literatura. Considerou-se que a exploração agrícola se localizaria na península de Setúbal, uma vez que esta região possui características climáticas que permitem antever o estabelecimento desta cultura com sucesso (Fernando et al., 2007), numa zona com acesso fácil ao fornecimento de água para irrigação.
Na fase de estabelecimento da cultura há consumo de energia associado à produção e transporte de sementes para a realização da sementeira. Na falta de dados relativos à energia associada à produção de sementes de kenaf e assumindo que a sua produção e transporte, assim como a quantidade necessária para a sementeira por ha são semelhantes á energia associada à produção de sementes de sorgo (Webber et al., 2002), utilizaram-se os dados de Biewinga e van der Bijl (1996) para o sorgo, cerca de 1GJ.ha-1.
Em Portugal, a plantação pode ser realizada desde o início do mês de Maio, desde que a temperatura do solo seja superior a 9,5ºC e a temperatura atmosférica média superior a 15ºC (Alexopoulou, 2003). A plantação pode ser feita com máquinas convencionais. Foi assumido que a densidade de plantação seria de 40 plantas por m2 (Fernando et al., 2007)
e de 26 kg (P) por ha, anualmente, cobre totalmente a acumulação das plantas em potássio e fósforo (Fernando et al., 2007).
A produção de fertilizantes envolve um consumo energético que tem de ser contabilizado. A produção de fertilizante azotados é o processo energeticamente mais intenso. Para a produção de 1kg de azoto, são necessários 38,6MJ (Melman et al, 1994). O superfosfato (fertilizante fosfatado utilizado nos campos) é principalmente obtido em minérios provenientes do norte da África, sendo necessários 7,6 MJ.kg-1 P para a sua extracção e comercialização (Melman et al, 1994). A mineração do potássio requer menos energia do que a mineração do fósforo, uma vez que os depósitos estão mais próximos da superfície terrestre, sendo necessários 3,0 MJ.kg-1 K para a sua extracção e comercialização (Melman et al, 1994). O consumo energético associado à produção de fertilizantes inclui todos os gastos da sua fileira.
Depois da sementeira é necessário irrigar. De acordo com Fernando et al. (2007), para garantir o correcto desenvolvimento das sementes e para evitar o stress hídrico, é necessária uma aplicação de cerca de 820 mm de água no período decorrente entre a sementeira e o final de Setembro. De acordo com Morais (2003), a energia consumida por cada m3 de água de rega, em Portugal, equivale a 1,31 MJ.
Figura 2.1: Colheita do kenaf (Fonte: K.E.F.I., 2011)
Figura 2.2: Armazenamento do kenaf em campo sob a forma de fardos (Fonte: Webber et al., 2002a)
No transporte, tem de se calcular a energia dispendida entre o local de cultivo e a unidade de processamento. É considerada a ida em separado da volta. Na ida considera-se que o camião vai carregado com a biomassa com humidade (e que ainda tem algumas folhas). Na volta, o camião retorna vazio. Cada camião tem capacidade para transportar cerca de 20 toneladas de carga útil. O valor de energia gasto, é de 0,0008 GJ.(t.km)-1 na ida e 0,0008 GJ.(km)-1 na volta (Melman et al., 1994). Considera-se que a unidade de processamento do kenaf se situa a uma distância média de 50 km (K.E.F.I., 2011). Considera-se também, que no processo de transporte e depois durante o armazenamento na unidade de processamento, antes da refinação, o material tem perdas até 10% de humidade.
limpeza e refinação, onde se dá o passo da separação da fibra cortical da fibra lenhosa. Maquinaria própria remove a parte cortical da lenhosa. Na K.E.F.I. o processo envolvido na separação utiliza a diferença de densidade das duas partes. Como a fibra cortical é mais leve, é facilmente aspirada para ser utilizada na manufactura dos painéis, enquanto que o resíduo que permanece no tapete é recolhido, para ser canalizado para a produção de energia (Zucchini, 2011). A figura 2.3 mostra alguns passos no processo de limpeza e separação das fibras.
a) b) c)
Figura 2.3: Sistema de separação das fibras. a) Aspecto do sistema de aspiração que separa as fibras corticais das fibras lenhosas; b) recolha do resíduo lenhoso; c) recolha da fibra cortical (Fonte: K.E.F.I., 2011)
Neste processo a separação das fibras corticais das fibras lenhosas não é totalmente eficiente. As fibras que são conduzidas para a produção dos painéis representam cerca de 30% do material que aflui à unidade de processamento (Ardente et al., 2008) e contém cerca de 10% de material lenhoso (Lips, 2007). Neste processo o consumo energético é de 120,5 MJ.t-1 de biomassa (Zucchini, 2011). Considera-se que durante o processo de limpeza e refinação das fibras, se verifica uma perda adicional de 10% de humidade.
Figura 2.4: Sistema de manufactura dos painéis isoladores (Fonte: K.E.F.I., 2011)
No Cenário III e IV, em que se considera a incorporação de poliéster na fibra, as fibras de kenaf correspondem a 85% da massa global e a fibra sintética a 15% da massa global (Ardente et al., 2008). Na incorporação de poliéster na fibra de kenaf, o processo é idêntico ao descrito para a produção de painéis sem adição de poliéster. A temperatura do forno é suficiente para garantir a fusão das fibras sintéticas funcionando como adesivo das fibras de kenaf (Ardente et al., 2008). Neste Cenário, é necessário contabilizar não só a adição em massa de poliéster ao processo (que acarreta custos energéticos) mas também o custo energético associado à produção da fibra sintética. De acordo com Ardente et al. (2008), a energia necessária para esta síntese a partir de resina é de 91 GJ.t-1 poliéster. No entanto, podem ser utilizadas fibras de poliéster recicladas, por exemplo, resíduos da indústria têxtil. O consumo energético associado à produção destes resíduos é 50 a 90% inferior ao da produção de fibra sintética (Ardente et al., 2008). Ou seja, em média, é necessário cerca de 27,3 GJ.t-1. Neste estudo considerámos, portanto, a utilização de fibra de poliéster reciclada.
Figura 2.5: Painéis isoladores: a) sem adição de poliéster; b) com adição de poliéster (Fonte: Lips, 2007; K.E.F.I., 2011)
Quadro 2.2: Propriedades associadas aos painéis isoladores, de acordo com a informação fornecida pelos produtores.
Propriedades Painel isolador sem poliéster
(Zucchini, 2011)
Painel isolador com adição de poliéster
(Ardente et al., 2008)
λ (W.m-1.K-1) 0,039 0,038
ρ (kg.m-3) 40 40
s (mm) 40 38
Massa* (kg) 1,56 1,52
* - massa de painel isolador necessária para se obter uma resistência térmica (R) de 1 m2.K.W-1.
Massa = R.λ.ρ.A, em que, R é a resistência térmica de 1 m2.K.W-1; λ, a condutividade térmica medida
em W.m-1.K-1; ρ, a densidade do produto isolador em kg.m-3; A, a área de 1 m2.
Após a produção e embalagem dos painéis, estes são transportados e comercializados. Uma vez que é um produto que pode ser não só utilizado em Portugal mas também por países terceiros, considerou-se uma distância média de 400km. Neste caso considerou-se só a ida, uma vez que na volta o camião pode ser utilizado para o transporte de outro tipo de carga. O valor de energia gasto, é de 0,0008 GJ.(t.km)-1 (Melman et al., 1994). Considera-se que no processo de fabrico, o painel perde humidade retendo ainda cerca de 10%. Considera-se que a instalação dos painéis nos edifícios é negligenciável uma vez que o painel é instalado manualmente e não necessita de manutenção quando incorporado nas paredes dos edifícios.
O resíduo obtido após a limpeza e refinação das fibras é canalizado para a produção de energia. O teor de matéria seca deste resíduo é de cerca de 60%, o que é suficiente para a combustão, não sendo necessário um processo adicional de secagem da biomassa (Barroso, 2001).
Considerando os Cenários II e IV, os resíduos são peletizados na própria unidade sendo depois embalados e comercializados para serem queimados em sistemas domésticos. Assume-se que o sistema de peletização consome 1,0 GJ.t-1 (Acaroglu e Aksoy, 2005) embora este dado seja referente à produção de briquettes de Miscanthus. No entanto, considerou-se que a maquinaria e a energia necessárias ao processo não seria muito diferente na produção de peletes a partir da fibra lenhosa de kenaf. Na produção de peletes, considera-se que o material perde humidade devido à energia térmica da máquina. Assume-se que o produto final apreAssume-senta uma humidade de cerca de 25% ou inferior. As peletes depois de embaladas seguem para a comercialização sendo transportados até ao circuito de distribuição e utilização. Nos Cenários II e IV, considera-se uma distância média de 150 km entre a unidade produtora de peletes e a unidade doméstica de utilização das peletes. O valor de energia gasto, é de 0,0008 GJ.(t.km)-1 (Melman et al., 1994). Neste caso considerou-se só uma viagem, uma vez que os meios de transporte utilizados podem transportar outro tipo de carga no caminho inverso. A utilização da caldeira de peletes assume um consumo eléctrico de 280 W (em média), necessário para a ignição eléctrica e para o motor de extração de fumos. Considerando um consumo médio de 1,8 kg de peletes por hora, a energia necessária ao processo corresponde a 0,56 GJ.t-1 (Cipriano, 2010).
Na conversão energética dos resíduos considerou-se que estes eram compostos maioritariamente pela fibra lenhosa, tendo-se utilizado os seguintes valores:
Poder calorífico da fibra lenhosa do kenaf = 15,6 GJ.t-1 (matéria seca) (Fernando et al., 2008).
Rendimento térmico garantido da Central Térmica de Biomassa de pequena dimensão, com 0,1MW de potência instalada - 74% (Jones e Walsh, 2001).
Rendimento térmico garantido na caldeira de peletes - 90% (Cipriano, 2010).
Para os diversos cenários foi contabilizado o balanço energético e a eficiência energética.
Balanço Energético GJ/ha, por ano, para se obter este valor é necessário efectuarem-se os seguintes cálculos:
3
RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1
Balanço energético da utilização de kenaf na produção de energia e
painéis isoladores, em Portugal
Os resultados referentes à avaliação do balanço energético e da eficiência energética da utilização de kenaf na produção de energia e painéis isoladores, em Portugal, para os quatro cenários estudados, são apresentados no quadro 3.1.
Quadro 3.1: Balanço energético e eficiência energética da utilização de kenaf na produção de energia e painéis isoladores, em Portugal.
Fases do processo
Energia (GJ.ha-1)
Cenários
I II III IV
Cultivo e transporte até à
unidade processadora
N - Fertilizantes 2,90 2,90 2,90 2,90
P - Fertilizantes 0,20 0,20 0,20 0,20
K - Fertilizantes 0,30 0,30 0,30 0,30
Produção de sementes 1,00 1,00 1,00 1,00
Trabalho mecânico 2,03 2,03 2,03 2,03
Rega 10,74 10,74 10,74 10,74
Transporte até à unidade processadora 1,06 1,06 1,06 1,06
Consumo energético até à unidade processadora 18,23 18,23 18,23 18,23
Manufactura dos painéis
Refinação das fibras 2,81 2,81 2,81 2,81
Manufactura dos painéis 1,87 1,87 2,20 2,20
Produção de poliéster - - 31,38 31,38
Consumo energético associado à produção de painéis 4,68 4,68 36,39 36,39
Transporte, uso e conversão
dos resíduos
Transporte dos painéis 1,37 1,37 1,74 1,74
Conversão energética dos resíduos na fábrica 4,07 - 4,07 -
Produção de peletes - 15,09 - 15,09
Transporte de peletes - 1,45 - 1,45
Conversão energética das peletes - 6,76 - 6,76
Consumo energético associado ao transporte e uso 5,45 24,67 5,81 25,04 Consumo total de energia 28,36 47,58 60,44 79,66
Produção de energia na Central térmica na fábrica 104,51 - 104,51 -
Produção de energia a partir das peletes - 127,11 - 127,11
Em todos os Cenários pode verificar-se que as eficiências são superiores à unidade e que o balanço energético é positivo. Portanto, considerando o aspecto energético, pode ser uma possibilidade, em Portugal, a utilização do kenaf para a produção de energia e de painéis isoladores.
Como podemos verificar, da análise do quadro 3.1, onde se apresenta o estudo efectuado para os quatro cenários, verifica-se que o cenário mais vantajoso é o Cenário II, se considerarmos o balanço energético, ou seja a quantidade de energia que se consegue obter por ha, por ano. Ou seja, apesar de se consumir mais energia na produção e uso das peletes, como o rendimento térmico garantido da caldeira de peletes é superior, o balanço energético obtido apresenta um resultado ligeiramente superior ao obtido quando os resíduos são queimados na fábrica. A utilização de poliéster na manufactura dos painéis vem desfavorecer o balanço energético uma vez que na produção de poliéster, o consumo energético associado é significativamente elevado.
Se considerarmos a eficiência energética, ou seja a razão entre a quantidade de energia produzida por energia consumida, então o cenário mais vantajoso é o Cenário I, onde o consumo total de energia é mais reduzido, embora em termos de produção energética não seja o mais elevado. Os valores de ganhos líquidos e de eficiência energética calculados são inferiores aos apresentados por Venturi e Monti (2005)(6-25, em termos de eficiência e 130-313 GJ.ha-1, em termos de ganhos líquidos), mas no estudo indicado todo o kenaf era submetido a aproveitamento energético.
Figura 3.1: Energia necessária para a produção, transporte e conversão do kenaf em energia e painéis isoladores, para os cenários apresentados.
3.2
Análise de Sensibilidade
Relativamente, aos cenários analisados anteriormente, através de uma análise de sensibilidade, pretende-se avaliar a influência de algumas variáveis na eficiência energética.
3.2.1 N - Fertilizante
No estudo em causa, a quantidade de N administrada na cultura é feita variar verificando-se quais as consequências perante a eficiência energética. A variação da administração de azoto pode implicar variação na produtividade, o que afecta a produção de energia (quadro 3.2 e figura 3.2). Há também algumas alterações nos valores da humidade mas muito pouco relevantes (Fernando et al, 2007a).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Cenário I Cenário II Cenário III Cenário IV
Consumo energético (GJ/ha)
Conversão energética Produção de pelets Transporte
Produção de poliéster Manufactura dos painéis Refinação das fibras Rega
Trabalho Mecânico Sementes
Quadro 3.2: Eficiência energética, para várias quantidades de N – Fertilizante administradas (dados de produtividade de Fernando et al, 2007)
Quantidade de N - Fertilizante 0 kg.ha-1 75 kg.ha-1 120 kg.ha-1
Produtividade caule interno (t.ha-1, ms) 7,2 7,0 8,9 Produtividade caule externo (t.ha-1, ms) 3,5 3,6 4,5
Produtividade folhas (t.ha-1, ms) 3,7 4,5 4,6
Produtividade total (t.ha-1, ms) 14,5 15,2 18,0
Eficiência energética
Cenário I 4,05 3,69 3,79
Cenário II 2,82 2,67 2,71
Cenário III 1,81 1,73 1,75
Cenário IV 1,65 1,60 1,61
Figura 3.2: Representação gráfica da eficiência energética, para várias quantidades de N – Fertilizante administradas
Os resultados apresentados indicam que, quer não aplicando azoto quer aumentando a quantidade administrada, se verifica um aumento na eficiência energética em todos os Cenários, embora esse aumento seja superior se não for adicionado N-fertilizante aos campos (o que até é benéfico em termos de redução das emissões de azoto para a atmosfera, solos e águas). No entanto, há que ter em conta que a não fertilização do campo com azoto pode levar à depleção deste nutriente no solo, o que pode influenciar o crescimento e produção de kenaf.
3.2.2 Rega
No estudo em causa, a quantidade de água administrada à cultura é feita variar verificando-se quais as converificando-sequências perante a eficiência energética. A variação da administração de
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Cenário I Cenário II Cenário III Cenário IV
Eficiência energética
água pode implicar variação na produtividade, o que afecta a produção de energia e a eficiência energética (quadro 3.3 e figura 3.3). Há também algumas alterações nos valores da humidade mas muito pouco relevantes (Fernando et al, 2007a).
Quadro 3.3: Eficiência energética, para várias quantidades de água administradas (dados de produtividade de Fernando et al, 2007)
Quantidade de Água
420 mm 550 mm 820 mm
Produtividade caule interno (t.ha-1, ms) 4,5 5,7 7,0 Produtividade caule externo (t.ha-1, ms) 2,5 3,3 3,6
Produtividade folhas (t.ha-1, ms) 2,9 4,6 4,5
Produtividade total (t.ha-1, ms) 9,8 13,6 15,2
Eficiência energética
Cenário I 3,48 3,92 3,69
Cenário II 2,58 2,77 2,67
Cenário III 1,68 1,78 1,73
Cenário IV 1,56 1,63 1,60
Figura 3.3: Representação gráfica da eficiência energética, para várias quantidades de água administradas
Os resultados apresentados indicam que a diminuição da quantidade de água administrada afecta negativamente a produtividade. No entanto, quando o nível de água a aplicar é de 550 mm, embora a produtividade seja mais reduzida, a eficiência energética aumenta, em todos os Cenários, pois a rega representa uma parcela importante no consumo de energia e a perda de produtividade não é tão significativa. No caso de se aplicar apenas 420 mm de água, a redução de produtividade é muito significativa. Como tal, a redução do consumo energético associado à diminuição da quantidade de água utilizada na rega não é suficiente para contrabalançar a redução associada à menor produção de energia, e os resultados da eficiência energética obtidos são os mais reduzidos. Na situação de Portugal, em que os
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Cenário I Cenário II Cenário III Cenário IV
Eficiência energética
recursos hídricos são escassos, este resultado indica que, em termos de sustentabilidade, a opção de reduzir a água a administrar pode ser uma opção a considerar.
3.2.3 Produtividade
Neste caso pretende avaliar-se a variação na eficiência energética quando a produtividade é alterada (pode aumentar devido ao melhoramento da espécie ou diminuir, com a ocorrência de pragas). Considera-se um aumento e uma redução de 20% na produção (quadro 3.4 e figura 3.4).
Quadro 3.4: Eficiência energética, para diferentes valores de produtividade
Factor multiplicativo
0,8 1 1,2
Produtividade total (t.ha-1, ms) 12,1 15,2 18,2
Eficiência energética
Cenário I 3,20 3,69 4,10
Cenário II 2,45 2,67 2,84
Cenário III 1,61 1,73 1,82
Cenário IV 1,51 1,60 1,66
Figura 3.4: Gráfico representativo da eficiência energética para diferentes valores de produtividade
Verifica-se que à medida que a produtividade aumenta, não sendo alterados os restantes factores, o resultado da eficiência energética, também aumenta, em qualquer dos Cenários, embora de forma mais significativa no Cenário I.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Cenário I Cenário II Cenário III Cenário IV
Eficiência energética
3.2.4 Data da colheita
No estudo, considerou-se que a colheita seria realizada em Outubro, após a floração, quando a planta ainda apresenta um teor de humidade elevado e muita folhagem. Outra possibilidade é a colheita ser mais tardia, em Dezembro. Nesta situação, a humidade da cultura diminui (caule interno, 59%, caule externo, 69%, as folhas mantiveram a mesma humidade, cerca de 76%)(Fernando et al., 2007a). Não se verificaram diferenças significativas, quer a nível da produtividade em fibra (caules) quer a nível da qualidade da biomassa (Fernando et al., 2007).
Quadro 3.5: Eficiência energética, para diferentes datas de colheita (dados de produtividade de Fernando et al., 2007)
Data da colheita Outubro Dezembro
Produtividade caule interno (t.ha-1, ms) 7,0 7,0 Produtividade caule externo (t.ha-1, ms) 3,6 4,2 Produtividade folhas (t.ha-1, ms) 4,5 0,3 Produtividade total (t.ha-1, ms) 15,2 11,5
Eficiência energética
Cenário I 3,69 3,52
Cenário II 2,67 2,64
Cenário III 1,73 1,76
Cenário IV 1,60 1,64
Figura 3.5: Gráfico representativo da eficiência energética, para diferentes datas de colheita
Neste caso de estudo, para o Cenário I, verifica-se que a melhor altura para se realizar a colheita é em Outubro, em termos da eficiência energética (Quadro 3.5 e figura 3.5). Nos restantes Cenários, não se verificam diferenças significativas.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Cenário I Cenário II Cenário III Cenário IV
Eficiência
energética Outubro
3.2.5 Distância
Pretende-se analisar, com esta variável, a variação da eficiência energética, quando aumentamos ou diminuímos o numero de km associados ao transporte, isto é quando aumentamos ou diminuímos, a distância entre a exploração agrícola e a unidade de processamento ou entre esta e o local de utilização dos produtos. Neste caso, assumimos que as distâncias podem ser mais curtas (multiplicamos as actuais distâncias por 0,5) ou mais longas (multiplicamos por 1,5)(quadro 3.6 e figura 3.6).
Quadro 3.6: Eficiência energética, para diferentes distâncias
Factor multiplicativo
0,5 1 1,5
Eficiência energética
Cenário I 3,85 3,69 3,53
Cenário II 2,79 2,67 2,57
Cenário III 1,77 1,73 1,69
Cenário IV 1,64 1,60 1,55
Figura 3.6: Gráfico representativo da eficiência energética, para diferentes distâncias
Perante os valores obtidos, o que se verifica, em qualquer um dos cenários é que com o aumento da distância, a eficiência energética diminui. Esta diminuição apresenta mais significado no Cenário I.
3.2.6 Rendimento térmico
Neste caso assume-se que os rendimento térmicos dos equipamentos (Central Térmica e caldeira) podem melhorar 10% face aos actuais (quadro 3.7 e figura 3.7).
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Cenário I Cenário II Cenário III Cenário IV
Eficiência energética
Quadro 3.7: Eficiência energética, para diferentes rendimentos térmicos dos equipamentos
Actual Melhoria de 10%
Eficiência energética
Cenário I 3,69 4,05
Cenário II 2,67 2,94
Cenário III 1,73 1,90
Cenário IV 1,60 1,76
Figura 3.7: Gráfico representativo da eficiência energética, para diferentes rendimentos térmicos dos equipamentos
Com base nos valores obtidos e como seria de esperar, caso o rendimento aumentasse, os valores da eficiência energética também aumentam, em qualquer um dos cenários.
3.2.7 Recuperação da energia contida nos painéis no fim do tempo de vida dos edifícios
Neste caso assume-se que no final do tempo de vida dos edifícios, se possa recuperar a energia contida nos painéis. Neste caso considera-se apenas o ganho energético associado à queima dos painéis. Não é contabilizado o gasto de energia na remoção e transporte dos painéis do edifício até ao local da queima. Neste cálculo, considerámos que os painéis seriam queimados numa Central de grandes dimensões. Na conversão energética na Central, a energia necessária ao processo é igual a 0,27 GJ.t-1(Biewinga e van der Bijl, 1996). Na conversão energética dos resíduos de painéis considerou-se que estes eram compostos maioritariamente pela fibra cortical, tendo-se utilizado os seguintes valores:
Poder calorífico da fibra cortical do kenaf = 13,3 GJ.t-1 (matéria seca) (Fernando et al., 2008).
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Cenário I Cenário II Cenário III Cenário IV
Eficiência
energética Actual
Poder calorífico do poliéster = 25,1 GJ.t-1 (INSHT, 2011)
Rendimento térmico garantido da Central Térmica de Biomassa de grande dimensão, - 81% (Barroso, 2001).
Os resultados obtidos considerando esta recuperação energética são apresentados no quadro 3.8 e figura 3.8.
Quadro 3.8: Eficiência energética, considerando o estudo inicial e a recuperação da energia associada aos painéis
Actual Com recuperação energética dos painéis Eficiência
energética
Cenário I 3,69 4,95
Cenário II 2,67 3,46
Cenário III 1,73 2,74
Cenário IV 1,60 2,37
Figura 3.8: Gráfico representativo da eficiência energética, considerando o estudo inicial e a recuperação da energia associada aos painéis
3.2.8 Análise global
A Figura 3.9 mostra, para o caso do Cenário 1, como a análise de sensibilidade pode fazer variar a eficiência energética.
0 1 2 3 4 5 6
Cenário I Cenário II Cenário III Cenário IV
Eficiência energética
Actual
Figura 3.9: Variação da eficiência energética do Cenário 1, tendo em conta os parâmetros modificados na análise de sensibilidade.
Da análise do gráfico apresentado na figura 3.9, verifica-se que os factores estudados que mais afectaram a eficiência energética do sistema foram a não aplicação de fertilizante azotado, o aumento de 20% na produtividade, o aumento do rendimento térmico dos equipamentos, e muito significativamente, a possibilidade de recuperação da energia associada aos painéis isoladores. Pela negativa, se acolheita for efectuada em Dezembro há uma ligeira quebra na eficiência.
0 1 2 3 4 5Actual
0 kg/ha (N)
550 mm (rega)
Aumento 20% Produção
Colheita Dezembro Distância encurtada
Rendimento térmico aumenta 10% Recuperação energética
4
CONCLUSÕES
O kenaf possui uma capacidade calorífica elevada e nas condições pedoclimáticas da zona do estuário do Tejo, sem limitação de água, podem ser alcançados elevados rendimentos. Este facto permite considerar promissora esta cultura, em termos da sua valorização energética e industrial (e económica), especialmente num país como Portugal onde não existem recursos conhecidos de recursos fósseis, em condições economicamente exploráveis.
Neste sentido, pretendeu-se com este trabalho, avaliar o balanço energético da produção e utilização de kenaf, como factor de sustentabilidade energética e de melhoria do ambiente térmico em edifícios, tendo em conta as condições de Portugal. Neste contexto, o balanço energético da produção e utilização do kenaf na produção de painéis integrados para isolamento térmico foi avaliado com base na análise do ciclo de vida.
Diversos cenários foram considerados neste estudo. Foram testadas duas hipóteses na produção de painéis de isolamento: a) inteiramente à base de fibra cortical do kenaf; b) uma matriz de poliéster é incorporada na fibra cortical do kenaf. Como a fibra lenhosa apresenta uma capacidade calorífica muito elevada, podendo ser aproveitada economicamente na produção de energia, estudaram-se também duas soluções: a) a fibra lenhosa é utilizada pela empresa produtora de painéis numa Central Térmica de pequena dimensão; b) A fibra lenhosa é canalizada para a produção de peletes, que são comercializadas para serem queimadas em sistemas domésticos.
De acordo com os resultados obtidos, apresentados e discutidos, verifica-se que, em todos os cenários estudados, as eficiências são superiores à unidade e que o balanço energético é positivo. Portanto, considerando o aspecto energético, pode ser uma possibilidade, em Portugal, a utilização do kenaf para a produção de energia e de painéis isoladores.
Se considerarmos o balanço energético, o cenário mais vantajoso é o Cenário II. Neste cenário, o maior consumo energético associado à produção e uso das peletes é contrabalançado pelo superior rendimento térmico da caldeira de peletes. A utilização de poliéster reciclado na manufactura dos painéis vem desfavorecer o balanço energético uma vez que a sua produção apresenta um custo energético significativamente elevado.
